فهرست مطالب
زیست شناسی مصنوعی
زیست شناسی مصنوعی یا به عبارتی Synthetic biology یک حوزه میان رشته‌ای بوده که شامل کاربردهای اصول مهندسی درزیست شناسی است. این رشته با سرعت بسیار زیاد درحال رشد بوده و می‌تواند در آینده‌ای بسیار نزدیک، بسیاری از مشکلات انسان را حل کند.
در این مقاله در ابتدا به تعریفی کلی از زیست شناسی مصنوعی و تاریخچه آن می‌پردازیم سپس اهداف آن را بیان نموده و کاربردهای آن را بررسی می‌کنیم. در آخر نیز تفاوت این رشته را با ویرایش ژنوم و زیست شناسی سامانه‌ای بیان کرده و مسائل اخلاقی ایجاد شده را بررسی می‌کنیم.
زیست شناسی مصنوعی چیست؟
زیست‌شناسی مصنوعی یا به عبارتی synthetic biology یک حوزه میان رشته‌ای بوده که شامل کاربردهای اصول مهندسی در زیست‌شناسی است. زیست‌شناسی مصنوعی شامل طراحی و ساخت مسیرهای بیولوژیکی مصنوعی جدید، ارگانیسم‌ها و دستگاه‌ها یا طراحی مجدد سیستم‌های بیولوژیکی طبیعی موجود است. در واقع در زیست‌شناسی مصنوعی ما سیستم‌های بیولوژیکی را در آزمایشگاه می‌سازیم و یا آنها را به گونه‌ای تغییر می‌دهیم که همسو با خواسته‌ها و منافع انسان‌ها باشد.
تاریخچه زیست شناسی مصنوعی
اولین دانشمندی که تحقیقات زیست شناسی مصنوعی را با موفقیت انجام داد فریدریش ولر Friedrich Wöhler ، شیمیدان آلمانی در بود که در سال 1828 توانست با اضافه کردن کلرید آمونیوم را به ایزوسیانات نقره، اوره را که ترکیب اصلی نیتروژن‌دار موجود در ادرار پستانداران است، تولید کند. با انجام این آزمایش او توانسته بود برای اولین بار یک ماده‌ی الی موجود در طبیعت را از مواد معدنی سنتز کند.
از آن زمان به بعد، دانشمندان به طور معمول مواد آلی را از طریق واکنش‌های شیمیایی در آزمایشگاه‌ها تولید می‌کردند.
در دهه 1970 دانشمندان شروع به انجام آزمایش‌هایی با مهندسی ژنتیک و فناوری DNA نوترکیب کردند که در آن کدون باکتری‌های طبیعی را با وارد کردن ژن‌های نوع وحشی، که می‌توانند عملکرد باکتری را تغییر دهند، اصلاح کردند.
این فناوری منجر به تولید داروهای بیولوژیک، داروهای ساخته شده از پروتئین‌ها و سایر ترکیبات آلی تولید شده توسط باکتری‌ها، با DNA نوترکیب شد. یکی از این ترکیبات انسولین مصنوعی است. این روش با مشکلاتی از جمله وجود محدودیت‌های فنی و پر هزینه بودن، همراه بود.
در اوایل دهه 1970، همزمان با پیشرفت‌های مهندسی ژنتیک، دانشمندان راه‌هایی را برای تولید ژن‌های دستکاری شده کشف کردند که از ابتدا یا de novo (لاتین به معنای «جدید»)، یک نوکلئوتید (یک واحد DNA ) در یک زمان ساخته می‌شدند.
در طول دهه‌های 1980 و 1990 و در اوایل دهه 2000، فناوری‌های سنتز DNA با سرعت زیادی از نظر زمان و هزینه کارآمد شدند و در نتیجه پیشرفت مداوم و آزمایش‌های جاه‌طلبانه‌تر را ممکن کردند. با ساخت بخش‌های جدیدی از DNA، دانشمندان توانسته‌اند به طور موثر ترکیبات آلی جدیدی را ایجاد کنند که پیچیده‌تر از آن‌هایی هستند که در طبیعت وجود دارند و برای اهداف خاص مناسب‌تر هستند.
در دسامبر 2004، جرج ام. چرچ از دانشکده پزشکی هاروارد و Xiaolian Gio از دانشگاه هیوستون اعلام کردند که یک تکنیک جدید سنتز DNA “چند پلکس” را اختراع کرده‌اند که در نهایت هزینه سنتز DNA را به 20000 جفت باز در هر دلار کاهش می‌دهد.
در اوایل سال 2006، دکتر جی کیسلینگ، مدیر مرکز زیست شناسی مصنوعی برکلی، و سه محقق فوق دکترا، مخمری حاوی ژن‌های باکتریایی را در یک کارخانه شیمیایی کشف و مهندسی مجدد کردند تا پیش ماده‌ای برای آرتمیزینین تولید کنند تا به عنوان یک دارو استفاده شود. داروی ارزان قیمت ضد مالاریا که جلوتر نیز به آن اشاره کرده‌ایم.
در ژوئن 2007، JCVI روش‌های پیوند ژنوم را برای تبدیل یک نوع باکتری به نوع دیگری که توسط کروموزوم پیوندی ، توسعه داد و نتایج خود را در مجله Science منتشر کرد.
در ژانویه 2008، JCVI اولین ژنوم باکتریایی مصنوعی، Mycoplasma genitalium JCVI-1.0 را ایجاد کرد که نشان دهنده بزرگترین ساختار DNA ساخته دست بشر است) پیوند، سنتز و مونتاژ ژنوم گام‌های ضروری برای رسیدن به هدف نهایی یک سلول کاملاً مصنوعی و فعال هستند.)
در سال 2010، دانشمندان مؤسسه J. Craig Venter (JCVI) اولین شکل زندگی مصنوعی در جهان را اعلام کردند. ارگانیسم تک سلولی مبتنی بر یک باکتری موجود است که باعث ورم پستان در بزها می‌شود، اما در هسته آن یک ژنوم کاملاً مصنوعی وجود دارد که از سه ماده شیمیایی در آزمایشگاه ساخته شده است.
ارگانیسم تک سلولی دارای چهار علامت است که در DNA آن نوشته شده است تا آن را مصنوعی تشخیص دهد.
15 سال طول کشید تا موسسه ونتر این پروژه اولیه را تکمیل کند. قبل از اینکه دانشمندان بتوانند تکنیک‌هایی را برای سنتز ژنوم‌های جدید برای میکروب‌ها یا سلول‌ها کامل کنند، باید کارهای بیشتری انجام شود. پیشرفت‌های این رشته تا امروز ادامه داشته و هر لحظه سرعت بیشتری می‌گیرند.
اهداف زیست‌شناسی مصنوعی
بخش‌های بیولوژیکی استاندارد: بخش‌های ژنومی استاندارد شده را شناسایی و فهرست‌نویسی می‌کنند تا بتوانند برای ساختن سیستم‌های بیولوژیکی جدید مورد استفاده قرار گیرند و به سرعت سنتز شوند.
طراحی کاربردی پروتئین: طراحی مجدد قطعات بیولوژیکی موجود و گسترش مجموعه عملکردهای پروتئین طبیعی برای فرآیندهای جدید.
سنتز محصول طبیعی: تولید تمام آنزیم‌ها و سیستم‌های بیولوژیکی لازم برای تولید چند مرحله‌ای محصولات طبیعی
ژنومیک مصنوعی : طراحی و ساخت یک ژنوم “ساده” برای یک باکتری طبیعی
کاربردهای زیست‌شناسی مصنوعی
در تحقیقات انجام در حوزه زیست شناسی مصنوعی دو موضوع بیتشر از باقی موضوعات به چشم می‌خورند:
1-تولید سوخت
2-تولید دارو
به عنوان مثال، محققان بر روی ساخت مصنوعی داروی ضد مالاریا آرتمیزینین کار می‌کنند که به طور طبیعی در گیاه افسنطین شیرین (Artemisia annua)،تولید می‌شود اما مسئله آن است که سرعت تولید طبیعی این ماده بسیار کند است.
در نتیجه دانشمندان با استفاده از تکنیک‌های زیست‌شناسی مصنوعی، توالی‌های DNA و مسیرهای پروتئینی این گیاه را که آرتمیزینین تولید می‌کنند، استخراج کرده و آنها را با مخمر و باکتری‌ها ترکیب کردند. این امر تولید آرتمیزینین مصنوعی را 10 میلیون برابر بیشتر از تولید طبیعی یعنی تولیدی که در اواخر دهه 1990 ممکن بود افزایش داد.
دانشمندان دیگر با تلاش برای ایجاد شکل‌های جدیدی از باکتری که می‌تواند تومورها را از بین ببرد، از رویکرد «کارخانه سلولی» استفاده کرده‌اند، که هنوز هم مشابه کار انجام شده با DNA نوترکیب است. دانشمندان در تلاش هستند تا پروتئین‌ها و محصولات ژنی را از ابتدا به گونه‌ای مهندسی کنند که به عنوان واکسن یا درمان هدفمند عمل کنند.
در زمینه سوخت‌های زیستی، دانشمندان شرکت‌های متعددی در تلاش هستند تا میکروب‌هایی ایجاد کنند که بتوانند مواد اولیه متراکم (مانند علف‌سوخت) را برای تولید سوخت‌های زیستی تجزیه کنند. چنین مواد اولیه‌ای را می توان به گونه‌ای تغییر داد و تولید کرد و همچنین سوزاند که نسبت به سوخت‌های فسیلی در حال حاضر خودروها ، کارآمدتر، کم هزینه‌تر و از نظر زیست محیطی پایدار باشد.
ژنتیک و بیوشیمیدان آمریکایی جی کریگ ونترJ. Craig Venter تلاشی را برای اصلاح ژن‌های میکروب‌ها برای ترشح مواد نفتی رهبری کرد. اگر برای تولید تجاری بزرگ موفق شوند، این موجودات می‌توانند به عنوان منابع ارزشمند انرژی تجدید پذیر عمل کنند.
چند مورد از دستاورد‌های این رشته عبارتند از:
-تولید میکروارگانیسم‌هایی با هدف پاکسازی زیستی برای پاکسازی آلاینده‌ها از آب، خاک و هوا برنج اصلاح شده برای تولید بتاکاروتن، ماده مغذی که معمولاً با هویج مرتبط است و از کمبود ویتامین A جلوگیری می‌کند. کمبود ویتامین A باعث نابینایی 250000 تا 500000 کودک در سال می‌شود و خطر مرگ در اثر بیماری های عفونی را به شدت افزایش می‌دهد.
مخمر مهندسی شده برای تولید روغن گل رز به عنوان یک جایگزین سازگار با محیط زیست و پایدار برای گل رز واقعی که عطرسازان از آن برای تولید رایحه‌های لوکس استفاده می‌کنند.
تفاوت زیست شناسی مصنوعی با زیست شناسی سامانه‌ای
زیست‌شناسی سامانه‌ای یا زیست شناسی سیستم‌ها، سیستم‌های زیستی طبیعی را به‌عنوان کل‌های یکپارچه(و نه با دید جز به جز)، با استفاده از ابزارهای مدل‌سازی، شبیه‌سازی و برای آزمایش مطالعه می‌کند. زیست شناسی مصنوعی نحوه ساخت سیستم‌های بیولوژیکی مصنوعی را با استفاده از بسیاری از ابزارها و تکنیک‌های آزمایشی مشابه مطالعه می‌کند.
تمرکز اغلب بر بخش‌هایی از سیستم‌های بیولوژیکی طبیعی، توصیف و ساده سازی آنها و استفاده از آنها به عنوان اجزای یک سیستم بیولوژیکی مهندسی شده است. بنابراین زیست شناسی سامانه روی کل اجزای سیستم بیولوژِیکی مطالعه داشته و به بررسی ارتباطات میان اجزا می‌پردازد اما زیست شناسی مصنوعی برروی نحوه‍‌ی ساخت این سیستم‌ها در آزمایشگاه‌ها مطالعه می‌کند.
تفاوت زیست شناسی مصنوعی با ویرایش ژنوم
از بعضی جهات زیست‌شناسی مصنوعی شباهت زیادی با حوزه‌ی ویرایش ژنوم یا genome editing دارد زیرا یکی از اصلی ترین راه حل‌های موجود و مورد استفاده در هر دوی این‌ها ویرایش و تغییر ژنوم است. با این حال، برخی افراد بر اساس نحوه ایجاد تغییر، بین این دو رویکرد تمایز قائل می‌شوند.
در زیست‌شناسی مصنوعی، دانشمندان معمولاً قطعات طولانی DNA را به هم می‌چسبانند و آنها را در ژنوم یک موجود زنده وارد می‌کنند. این قطعات سنتز شده DNA می‌توانند ژن‌هایی باشند که در موجودات دیگر یافت می‌شوند و به طورکلی در طبیعت وجود دارند و یا می‌توانند کاملاً جدید باشند اما در ویرایش ژنوم، دانشمندان معمولا از ابزارهایی برای ایجاد تغییرات کوچکتر در DNA خود ارگانیسم استفاده می‌کنند.
از ابزارهای ویرایش ژنوم نیز می‌توان برای حذف یا افزودن بخش‌های کوچکی از DNA در ژنوم استفاده کرد.در نتیجه در زیست شناسی مصنوعی ما با تغییرات بیشتر روی ژنوم مواجه‌ایم در حالیکه این تغییرات در ویرایش ژنوم بسیار جزئی‌تر هستند.
شرکت‌های موجود در حوزه زیست شناسی مصنوعی
شرکت‌های تجاری که DNA مصنوعی (الیگونوکلئوتیدها، ژن‌ها یا ژنوم‌ها) را به کاربران می‌فروشند، شرکت‌های سنتز DNA از جمله ATG:biosynthetics، Blue Heron Biotechnology، DNA 2.0، GENEART و Genomatica هستند.
شرکت‌های مصرف کننده پیشرو DNA که در حال ساخت سیستم‌های بیولوژیکی جدید برای محصولات زیستی، سوخت‌های زیستی و بخش مراقبت‌های بهداشتی هستند، عبارتند از: Amyris Biotechnologies، Inc.، Codexis، Genencor (بخشی از Danisco)، Life Technologies، Genomatica، Qteros، CODA Genomics، Modular Genetics. , DNA2.0, Inc., Verdezyne, DSM, Myriant, Gevo, Inc., LS9, Inc., OPX Biotechnologies, Solazyme and Synthetic Genomics, Inc.
موضوعات اخلاقی مطرح شده
پروژه‌هایی که موضوعات مرتبط با سنتز کل ژنوم را دارند، سؤالات اخلاقی مهمی را در مورد مضرات و مزایای بالقوه برای جامعه مطرح می‌کنند. بسیاری از سوالات اخلاقی که در حوزه زیست شناسی مصنوعی ایجاد می‌شود شبیه به بحث های اخلاقی مربوط به ویرایش ژنوم است.
آیا انسان‌ها با طراحی مجدد ارگانیسم‌ها با تکنیک‌های زیست شناسی مصنوعی از مرزهای اخلاقی عبور می‌کنند؟ اگر زیست شناسی مصنوعی درمان‌های جدیدی را برای بیماری‌ها ارائه دهد، چه کسانی در جامعه به آنها دسترسی خواهند داشت؟ اثرات زیست محیطی معرفی موجودات اصلاح شده به اکوسیستم چیست؟
اکثر دانشمندان، اخلاق شناسان و سیاست گذاران معتقدند که تمام جوامع باید برای پاسخ به این سؤالات، مضرات و مزایای بالقوه زیست شناسی مصنوعی را مورد بحث و سنجش قرار دهند. همانطور که سنتز ویروس فلج اطفال نشان می‌دهد، نگرانی‌های امنیت زیستی مربوط به زیست شناسی مصنوعی نیز وجود دارد.
برنامه نمایندگان منتخب فدرال دولت ایالات متحده در اختیار داشتن عوامل عفونی پرخطر مانند فلج اطفال برای تحقیقات و اهداف دیگر تنظیم می‌کند. علاوه بر این، تحقیقات با بودجه فدرال، مانند تحقیقات حمایت شده توسط مؤسسه ملی بهداشت (NIH) که شامل عوامل عفونی پرخطر است، مشمول نظارت و مدیریت ریسک اضافی است که توسط سیاست تحقیق در مورد استفاده دوگانه از نگرانی (DURC) تعیین شده است. همچنین ایجاد سلاح‌های زیستی و استفاده از آنها به عنوان بیوترور نیز از نگرانی‌های ایجاد شده توسط این حوزه می‌باشد.
نویسنده: یاسمن خرمی
منابع:
- https://archive.bio.org/articles/synthetic-biology-explained
- https://www.genome.gov/about-genomics/policy-issues/Synthetic-Biology
- https://www.nature.com/articles/nrg1637
- https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2019.00175/full
- https://www.britannica.com/science/synthetic-biology/BioBricks-and-xeno-nucleic-acids
- https://royalsociety.org
یک نظر